Лиам так же снялся в ее клипе на песню из этого фильма "When I look at you". Эта песня одержала победу в категории "Choice Music: Love Song" премии Teen Choice Awards, а сам Хемсворт удостоился победы в "Choice Movie Breakout Star: Male" этой же премии. Другой его наградой за эту роль стала премия Nickelodeon Australian Kids' Choice Awards 2010 в категории "Лучший поцелуй", совместно с Майли.
Переломной в актерской карьере стала работа в фильме Голодные Игры (англ. The Hunger Games), экранизации бестселлера Сьюзен Коллинз, где Хемсворт получил роль Гейла Хоторна в апреле 2011 года. Мировая премьера ленты состоялась весной 2012 года и произвела эффект взорвавшейся бомбы. Актеры, сыгравшие в этом фильме, проснулись знаменитыми. Организаторы праздником и мероприятий мечтали заказать их выступления. Кинолента получила множество наград, а Хемсворт был номинирован на премию MTV Movie Awards в категории "Прорыв года".
В том же году актер снялся в небольшой роли в боевике Неудержимые 2 (англ. The Expendables 2), получившем хорошие кассовые сборы и отзывы критиков.
В 2012 году Лиам приступил к съемкам в сиквеле Игр под названием Голодные игры: И вспыхнет пламя (англ. The Hunger Games: Catching Fire). Фильм вышел в прокат в 2013, повторив успех первой части. В том же году в прокат вышло еще три кинокартины с участием Хемсворта: романтическая драма Love and Honor, криминальная драма Эмпайр-стейт (англ. Empire State) и триллер Паранойя (англ. Paranoia). Во всех трех фильмах Лиам исполнил главные роли.
В 2014 году на экраны вышла следующая часть Игр: Голодные игры: Сойка-пересмешница. Часть 1 (англ. The Hunger Games: Mockingjay - Part 1 ). За роль Гейла Хоторна Хемсворт, как и годом ранее, был номинирован на Teen Choice Award в категории Actor Sci-Fi/Fantasy.
В том же году состоялась премьера триллера Cut Bank, где актер исполнил главную роль.
В 2015 году публике была представлена заключительная часть эпопеи Голодные игры: Сойка-пересмешница. Часть 2 (англ.The Hunger Games: Mockingjay - Part 2 ) с участием Хемсворта.
В 2016 году состоялась премьера фантастического фильма День независимости: Возрождение (англ. Independence Day: Resurgence) под режиссурой Роланда Эммериха. В нем Лиам исполнил главную роль Джейка Моррисона.
Второй киноработой в этом году стала для Хемсворта одна из ведущих ролей в вестерне The Duel.
В 2019 году к выходу на экраны готовится романтическая комедия Isn't It Romantic. В этом фильме Лиам Хемсворт исполнил роль Блейка.
